Desenvolvimento de argamassas geopoliméricas a partir da incorporação de cinza de casca de arroz em substituição parcial ao silicato de sódio e ao metacaulim

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2022.A indústria da construção civil constitui um dos setores com mais impactos negativos no que diz respeito às emissões de poluentes e ao consumo excessivo de matérias primas e energia. A crescente preocupação com o meio ambiente e com as gerações futuras tem aumentado a procura por alternativas que, em relação às demais, acarretem menor impacto ambiental. Com o propósito de desenvolvimento sustentável, as perspectivas da construção civil passam a abranger questões tais como eficiência energética, consumo de recursos, poluição e gestão de resíduos. O geopolímero surge como uma nova classe de materiais de alto desempenho e baixo consumo energético sintetizado a partir da mistura entre uma solução ativadora altamente alcalina e aluminossilicatos em pó, que são materiais sólidos constituídos por SiO2 e Al2O3. Pensando em gestão de resíduos, sua reutilização, como materiais alternativos em substituição aos materiais convencionais, contribui para a redução dos problemas ambientais relacionados ao descarte inadequado, à contaminação da água e do solo e à extração de matérias-primas não renováveis. Resíduos industriais com elevado teor de sílica podem ser utilizados na reação de geopolimerização, desde que estejam disponíveis na forma amorfa, como é o caso da cinza de casca de arroz (CCA), que é um resíduo agroindustrial oriundo da queima da casca de arroz utilizada para a produção de energia. Neste trabalho de pesquisa, a solução ativadora foi composta pela combinação de hidróxido de sódio (10 mol/L) e silicato de sódio (SS), e como fonte de aluminossilicato foi utilizado o metacaulim (MK). No intuito de produzir geopolímeros com menor impacto ambiental, este trabalho propôs a utilização de CCA tanto como fonte complementar de sílica em substituição parcial ao SS quanto como precursor geopolimérico em substituição parcial ao MK. Foram produzidas diferentes amostras, utilizando teores variados de CCA em 5%, 10% e 15%, com formulações distintas e com efeito combinado. Os corpos de prova tiveram suas propriedades físicas (perda de massa, densidade aparente, porosidade aberta, absorção de água por imersão e absorção de água por capilaridade) e propriedade mecânica (resistência à compressão), avaliadas aos 28 dias de cura e após 90 dias de exposição aos ácidos clorídrico e sulfúrico. Além disso, foi avaliada a queda do pH dos corpos de prova aos 30 e 150 dias de cura através do ensaio de alcalinidade. Os resultados mostram que, de um modo geral, as formulações com incorporação de CCA apresentaram valores de resistência à compressão superiores à formulação de referência aos 28 dias de cura. A formulação 15 SS chegou a um valor de resistência à compressão 24,4% maior em relação à formulação de referência. Os resultados mostraram também que o aumento do teor de CCA, além de aumentar a resistência à compressão, aumentou a densidade aparente das amostras, diminuindo a porosidade aberta e a absorção de água. A formulação 15 SS apresentou o maior valor de densidade aparente e como consequência, menor porosidade aberta, menor absorção de água por imersão e menor absorção de água por capilaridade. Para esta formulação, a porosidade aberta obteve uma redução de 7,8% em relação à formulação de referência. Já a absorção de água por imersão apresentou um valor 11,4% menor em relação à formulação de referência. Nos ensaios de durabilidade realizados pelo período de 90 dias não foram observadas degradações significativas nas amostras expostas aos ácidos clorídrico e sulfúrico. Contudo, a solução de ácido sulfúrico foi a mais agressiva se comparada à solução de ácido clorídrico. As argamassas expostas ao ácido sulfúrico provocaram maior perda de massa e menor resistência à compressão. Os ensaios de alcalinidade realizados nas argamassas geopoliméricas indicaram um bom desempenho frente ao fenômeno de carbonatação. De um modo geral, a CCA contribuiu para a melhoria das características das argamassas geopoliméricas, sendo viável a sua utilização em substituição parcial ao SS e ao MK, tanto pelo seu desempenho em termos de propriedades físicas e mecânicas, quanto pela redução de custos e redução do impacto ambiental.Abstract: The construction industry is one of the sectors with the most negative impacts in terms of pollutant emissions and excessive consumption of raw materials and energy. The growing concern with the environment and with future generations has increased the search for alternatives that, in relation to others, entail less environmental impact. With the aim of sustainable development, the perspectives of civil construction now cover issues such as energy efficiency, resource consumption, pollution and waste management. The geopolymer emerges as a new class of materials with high performance and low energy consumption synthesized from the mixture between a highly alkaline activator solution and powdered aluminosilicates, which are solid materials consisting of SiO2 and Al2O3. Thinking about waste management, its reuse, as alternative materials to replace conventional materials, contributes to the reduction of environmental problems related to inappropriate disposal, water and soil contamination and the extraction of non-renewable raw materials. Industrial residues with a high silica content can be used in the geopolymerization reaction, provided they are available in an amorphous form, as is the case of rice husk ash (CCA), which is an agro-industrial residue from the burning of the rice husk used for energy production. In this research work, the activator solution was composed by the combination of sodium hydroxide (10 mol/L) and sodium silicate (SS), and metakaolin (MK) was used as aluminosilicate source. In order to produce geopolymers with less environmental impact, this work proposed the use of CCA both as a complementary source of silica in partial replacement of SS and as a geopolymeric precursor in partial replacement of MK. Different samples were produced, using different levels of CCA at 5%, 10% and 15%, with different formulations and with a combined effect. The specimens had their physical properties (mass loss, apparent density, open porosity, water absorption by immersion and water absorption by capillarity) and mechanical properties (compressive strength), evaluated at 28 days of curing and after 90 days. exposure to hydrochloric and sulfuric acids. In addition, the pH drop of the specimens at 30 and 150 days of curing was evaluated through the alkalinity test. The results show that, in general, the formulations with CCA incorporation showed higher compressive strength values than the reference formulation at 28 days of curing. Formulation 15 SS reached a compressive strength value 24.4% higher than the reference formulation. The results also showed that increasing the CCA content, in addition to increasing the compressive strength, increased the apparent density of the samples, decreasing open porosity and water absorption. Formulation 15 SS presented the highest apparent density value and, as a consequence, lower open porosity, lower water absorption by immersion and lower water absorption by capillarity. For this formulation, the open porosity obtained a reduction of 7.8% in relation to the reference formulation. The water absorption by immersion showed a value 11.4% lower in relation to the reference formulation. In the durability tests carried out for a period of 90 days, no significant degradation was observed in the samples exposed to hydrochloric and sulfuric acids. However, the sulfuric acid solution was the most aggressive compared to the hydrochloric acid solution. Mortars exposed to sulfuric acid caused greater mass loss and lower compressive strength. Alkalinity tests performed on geopolymeric mortars indicated a good performance against the phenomenon of carbonation. In general, CCA contributed to the improvement of the characteristics of geopolymeric mortars, making it feasible to use it as a partial replacement for SS and MK, both for its performance in terms of physical and mechanical properties, as well as for the reduction of costs and of the environmental impact